Zellspezifische Charakterisierung eines Langzeit-Lern-Proteoms

Erinnerungen und Assoziationen jeglicher Art sind mitverantwortlich für unsere Motivation und unser Handeln im Hier und Jetzt. Störungen in der Gedächntnisbildung und Im Abruf von Erinnerungen sind eine zentrale Problematik bei einer Vielzahl psychischer und neurodegenerativer Erkrankungen, jedoch sind die beteiligten Zellen sowie die molekularen Komponenten weitgehend unbekannt. Wie Menschen sind Fruchtfliegen in der Lage zu lernen und können zB durch operante Konditionierung lernen, Düfte mit Bestrafungsreizen zu assoziieren und bis zu 7 Tage diese Düfte zu meiden. Diese Langzeit-Gedächtnisleistungen sind abhängig von der Synthese neuer Proteine in wenigen, kritischen Zellen. In unserem Forschungsprojekt beschäftigen wir uns daher mit der Frage, in welchen Zellen im Drosophila-Gehirn Langzeit-Erinnerungen abgespeichert werden und welche Proteine daran beteiligt sind. Wir konzentrieren uns dabei auf die Pilzkörper-Formation im Gehirn der Fruchtfliege, deren neurale Komponenten und insbesondere hier die sog. Kenyon-Zellen - für die olfaktorische Gedächtnisleistung verantwortlich sind. Mittels Zelltyp-spezifischer, metabolischer Proteinmarkierung und Klick-Chemie sind wir erstmalig in der Lage, die Synthese lern-relevanter Proteine in diesen Zellen verfolgen und damit die für die Lernleistung kritischen Kenyon-Zellen identifizieren. In weiteren Ansätzen sollen diese Proteine massenspektrometrisch identifiziert und schließlich validiert werden. Da die grundlegenden molekularen Mechanismen für Lernen und Gedächtnis im Tierreich weitgehend konserviert sind, können unsere Ergebnisse auch auf den Menschen übertragen werden und damit von klinischer Relevanz sein.

Searching for the engram at the proteome level

Memories of events long past bear on our present motivations and behaviour. Malfunctioning of such long-term mnemonic function has significant clinical consequences. In project B15N, we deal with the where and what of long-term memory. We aim (i) at localizing a long-term associative engram by visualizing de novo protein synthesis → where and (ii) at characterizing this engram s molecular content by identifying the newly synthesized proteins → what . Requirement for de novo protein synthesis is a characteristic of long-term memory. The respective proteins should be critical for both memory consolidation and the long-lasting storage. Notwithstanding their importance, a comprehensive, cell-specific inventory of these proteins so far does not exist in any organism. To fill this gap, uniquely in Drosophila, we can combine a well-established long-term memory paradigm with in vivo, cell-specific metabolic protein labeling using click chemistry. Converging evidence point to the mushroom body Kenyon cells as the site of coincidence detection for olfactory associative learning in the fly. Individual Kenyon cell-afferent and -efferent neurons have been identified for reinforcement signaling and memory retrieval, respectively. We will metabolically label proteins that are acutely synthesized in Kenyon cells and their critical post-synaptic partners upon olfactory learning. These proteins will be (i) visualized using fluorescent non-canonical amino acid tagging (FUNCAT) to monitor a systems consolidation -like process, including its temporal dynamics as reflected in critical time-windows as well as global protein synthesis and turnover rates. The proteins made de novo upon learning will also be (ii) purified using bioorthogonal non-canonical amino acid tagging (BONCAT) and inventoried by mass spectrometry. As a side-track, we will apply these two approaches also to the glial cells as these critically contribute to neuronal function, including long-term memory. Finally, we will (iii) validate the emerging candidate proteins in terms of their causal role in long-term memory using reverse genetics. Given that molecular mechanisms of learning and memory are well-conserved across phyla, we can reasonably hope for translational value of our results.